一種新型的零電壓零電流三電平變換器的研究

摘要：針對采用IGBT的軟開關三電平變換器中IGBT關斷過程存在的電流拖尾現象，以及基本三電平拓撲變壓器次級存在的電壓過沖和電壓振蕩現象，提出了改進型ZVZCS三電平結構。該結構在基于拓撲的三電平橋臂側和兩電平橋臂側分別加入了一個無源輔助網絡，三電平橋臂側的輔助變壓器在續流階段為主變壓器初級電流回零提供了條件，兩電平橋臂的諧振電感和箍位二極管有效地抑制了主變壓器次級電壓的過沖現象。詳細分析了改進拓撲的工作原理、工作模態，以及輔助網絡的工作特點，并研制了實驗樣機，驗證了理論分析的正確性以及改進拓撲的可行性。
關鍵詞：三電平變換器；ZVZCS；輔助網絡；IGBT

0 引言
隨著電工領域各種技術的全面發展，人們根據電源的應用場合，對電源提出了高壓大功率、高次級頻化等的要求越來越強烈。多電平變換器也就是在這種背景下成為高壓大功率變換研究的熱點。其中三電平(Three Level)變換器最大的優點是可以降低開關管的電壓應力，因此適用于輸入和／或輸出電壓較高的場合。而有些變換器如Buck，Boost，BLlck—Boost，Cuk，Sepic，Zeta等TL變換器還可以大大減小儲能元件如電感、電容的大小，從而改善變換器的動態性能，減小體積重量。
本文基于IGBT器件自身的特點，提出了新型的ZVZCS全橋三電平DC—DC變換器。對這種新型變換器的工作原理、電路工作模式、軟開關的實現以及各個階段的電路變量參數表達式進行深入的研究。從而探討提高開關電源的效率、減小體積提高功率密度，減小開關管電壓應力，實現高壓大容量等實際應用問題。

1 主電路拓撲及原理分析
在本文中，主要的研究對象是傳統的ZVZCS全橋三電平DC—DC變換器，所采用的開關器件是IGBT。IGBT是一種復合器件，關斷時的電流拖尾導致較大的關斷損耗，如果在關斷前使它的電流降為零，則可以顯著地降低開關損耗，另外變壓器次級整流二極管兩端電壓存在電壓過沖及振蕩現象。
本文提出的拓撲，保留了基本ZVZCS三電平變換器的優點，即斬波管與超前管能在很寬的負載范圍內實現ZVS。并且提出了一種新方法來實現兩電平橋臂開關管的ZCS，即在三電平橋臂一側加入無源輔助網絡。同時，通過在兩電平橋臂一側加入無源輔助網絡，有效抑制了變壓器次級整流二極管的電壓振蕩和電壓尖峰。
圖1所示的電路為改進拓撲的主電路圖，即具有雙邊無源輔助網絡的ZVZCS三電平直流變換器的主電路。

改進拓撲的每半個工作周期有11個工作模態，此處只對前半個工作周期的工作模態進行分析，后半個周期與前半個周期相類似，此處不再贅述。圖2為改進拓撲的主要工作波形。

分析之前，先做如下假設：所有的開關管和二極管均為理想元件；所有的電容和電感均為理想器件且C1=C2=C3=C4=Cr；分壓電容Cd1，Cd2和飛跨電容Css認為是一個恒壓源，電壓值為Uin／2；輸出濾波電感Lf在一個開關周期內，可以將輸出電流認為是一個恒流源。